基于不同爆炸风险水平的FPSO生活楼抗爆结构设计

张延昌 陈 刚 汤雅敏 刘 昆

（1.上海外高桥造船有限公司 上海 200137；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；3. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 镇江212003）

0 引 言

海洋工程领域的风险分析研究始于20世纪70年代后期。1988年，北海Pipe Alpha平台的爆炸事故使英国认识到定量风险分析（quantitative risk analysis, QRA）的必要性和重要性，于是逐渐增大投入，资助离岸结构物的风险评估研究和应用。1992年以后，英国所有离岸油气装置的设计和现有离岸结构物的再评估均引入了风险评估的方法[1-2]。国际标准化组织和美国石油协会等机构先后建立了海洋工程风险分析相关规范[3-4]。目前，船舶与海洋工程领域的风险评估研究方兴未艾，各种分析方法逐步得到应用。

海洋工程前期设计阶段均需开展风险评估，该项工作多由国外公司开展，相比之下，国内船舶与海洋工程领域风险评估和决策的研究与应用还比较滞后。2003年，张圣坤等[5]编著出版《船舶与海洋工程风险评估》，该书从风险评估方法、定量风险分析、风险评估应用等方面系统全面地进行了阐述，是国内首本关于船舶与海洋工程领域风险评估的书籍，掀起了国内风险分析研究的热潮；陈刚翻译出版了《Risk-Based Ship Design-Methods, Tools and Applications》和《Offshore Risk Assessment-Principle，Modeling and Applications of QRA Studies》[6-7]等国外风险评估研究著作，这对引进风险评估先进的设计理念、提升我国海洋工程研究设计水平起到了重要作用。

降低爆炸风险通常从降低事故发生概率和减轻事故后果这两方面采取措施，并且降低事故发生概率要优先于减轻事故后果。但降低概率可能难以得到证实，而减轻事故后果则更容易被证实，其可通过：优化设备布置、控制设备大小、控制点火源位置、提高通风效果来预防高速湍流，防止高堵塞；安装消防爆炸屏障，提高结构设备的抗爆能力，提高结构抗爆设计作为减轻爆炸后果最可靠的方式等来实现，故目前广泛应用于海洋平台结构设计。设计阶段需要对主要风险采用较为详细的量化风险评估技术，确定风险水平、提出控制措施，把爆炸风险控制在合理范围。

本文梳理了风险分析相关的技术法规、规范，总结了爆炸风险评估流程、结构抗爆性能评估技术；利用结构有限元分析软件，对FPSO生活楼分别开展了筛选分析、强度水平分析和塑性水平分析；基于功能性、作业、生命安全这3个性能水平，开展不同风险水平的结构抗爆性能设计，指导生活楼抗爆结构设计，提高结构安全性，降低爆炸事故风险。

1 基于爆炸风险的结构设计技术

1.1 规范分析

美国石油协会、英国石油天然气协会、挪威石油协会、美国船级社、挪威船级社、法国船级社等均有基于油气爆炸风险的结构设计的规定。例如：

美国石油协会在其规范[3]中给出了在海工结构设计中考虑火灾和爆炸的评估流程，包括筛选分析、名义载荷、具体事件分析这3个层次，基于风险分析的结构响应分析流程，以评估结构或其构件是否满足特定的性能衡准等。

美国船级社规范[8]给出了事故载荷的设计原则，分析评估事故载荷的目的是为了得到初始损伤的范围、避免事故恶化加剧以保护人员生命、环境、资产安全。事故载荷评估过程是按油气工业标准风险评估流程进行，并将传统的危险识别方法和结构评估方法相结合。基于风险的事故载荷分析流程主要包括事故载荷风险评估计划、初步事故风险评估、详细事故风险评估这3步。爆炸事故评估可以根据事故发生概率及重要程度分为2类：强度水平爆炸（strength-level blast, SLB）、塑性水平爆炸（ductility-level blast, DLB）和对应的筛选分析法、强度水平分析法、塑性水平分析法这3种分析方法及其对应的设计衡准、结构抗爆性能评估流程等。

挪威船级社的规范[9-11]是建立在极限状态设计理念基础之上的，其中事故极限状态（accidental limit states, ALS）包括碰撞、爆炸、坠物、火灾等事故场景。挪威船级社海工规范逐步形成了较为完善、系统的规范体系，基于极限状态的设计中事故载荷的选取是按照给定需要满足的安全水平来确定。文献[9]给出了安全设计原则、设计事故载荷（design accident load, DAL）、区域布置、危险区域划分、紧急关断原则及需求、逃生和通信等方面的规定；文献[10]给出了考虑海工平台类型、布置、区域大小、通风等情况的爆炸载荷曲线，以及分析方法和基于载荷抗力系数法的设计衡准等。

法国船级社在其NR445规则[12]中，对于爆炸事故，从关注区域结构、爆炸冲击载荷、分析方法、设计衡准等方面进行阐述，并给出相对明确的规定。

1.2 爆炸风险评估流程

美国石油协会（American Petroleum Institute,API）给出了火灾、爆炸风险评估流程，其流程分为筛选分析、名义载荷分析、具体事件分析3个层次，如图1所示[3]。

图1 爆炸风险评估流程

（1）筛选分析是基于风险简化的第1层次分析，主要针对无人固定平台结构为较低风险的设施，无需特别考虑火灾和爆炸载荷以确保平台良好运行，因此不需要详细的结构评估。对于低风险的平台，定性的风险分析可以得到比较近似的结果。

（2）名义载荷评估（与强度水平法相对应）采用名义载荷工况的形式对平台性能进行评估，名义载荷以静态荷载作用于结构，分析结构的响应，进而评估平台是否满足相应的性能衡准。名义载荷多用于项目早期阶段，既适用于概念设计阶段的可选方案评估工作，也可用于后期方案修改阶段。

（3）具体事件分析是针对非风险和名义载荷不适用的海洋平台，评估中需要开展风险识别以确定火灾、爆炸可行事件及其风险水平。对于每个可行事件及其风险，按照图1所示流程采取风险缓解控制措施及结构设计进行评估。

1.3 基于爆炸风险的结构抗爆性能评估流程

理论上，基于爆炸风险的结构设计是将结构抗爆性能评估和结构设计融入风险评估的整个流程，但需要考虑到以下因素：

（1）风险控制措施选取原则是降低事故发生概率要优先于减轻事故后果，先从减小爆炸发生可能性或降低事故后果方面采取控制措施，在设计后期或其他措施均无效的情况下，再采用提高设备和结构的抵抗力等方式来降低风险。

（2）在爆炸载荷作用下，结构的动态响应涉及动态、材料非线性、大变形等复杂的力学问题，对每个可行性事件进行动态响应计算，计算工作量巨大。

（3）结构设计除了要满足事故载荷下结构的性能衡准，同时要满足规范的相关要求。

实际工程中，基于爆炸风险的结构抗爆性能评估借鉴风险评估流程，分为筛选法分析、强度水平分析、塑性水平分析这3个过程，分析流程如图2所示。其中：筛选分析法用于偏保守设计，并筛选后续评估的结构对象；强度水平分析是以规范校核为基础的线弹性分析，为偏保守的设计；如果强度水平分析中结构不满足性能衡准，则需要进行塑性水平分析；若塑性水平分析得到的结构不满足性能衡准，则需要采取结构修改和爆炸缓解措施。

图2 结构爆炸响应评估流程

筛选分析法是最基本的设计基础校核，用于确定设施的设计基础和设计方法在爆炸事件中的适用性。该方法将爆炸超压作为静态设计载荷，对结构进行静态线弹性响应分析，以结构材料真实屈服应力（包括应变率影响的屈服应力增加）的利用系数达到1.0作为极限状态。 该方法一般情况下可得到较为保守的分析结果，但对于结构固有频率与爆炸载荷周期相近的结构，结果可能会偏于危险。该方法可用于识别后续重点分析对象。

强度水平分析法是对等效静态载荷下的结构线弹性分析。由动态放大系数用于表征过压峰值载荷，爆炸等效静态载荷是由强度水平设计下的过压峰值压力乘以动态放大系数确定。考虑到构件塑性、应变率和应变硬化影响，受拉构件中主要构件的可接受利用系数是2.5，弯曲构件的可接受利用系数是2.0。弯曲或压缩状态时，结构均不发生屈曲；同时，结构的变形应不影响逃生通道的可用性，且不会引起附近设备、管道、仪器失效，而导致事故的升级。

塑性水平分析法考虑了结构大变形、载荷重新分布、材料非线性、应变硬化、结构动态响应等问题，能够准确地评估结构的性能，是最精确的爆炸分析方法。塑性水平分析主要适用于类似规范校核的强度极限校核（考虑设计载荷超过设计强度后结构失效的极限状态）、变形极限校核、结构失效校核、屈曲校核，因此相应的接受衡准需要采用变形极限、应变极限、屈曲、连接强度极限等，最终分析的目标是确保结构在爆炸载荷下不会导致灾难性崩溃或环境风险增加的局部失效，也不会危及人员安全与健康。

2 基于风险的目标生活楼结构设计

2.1 设计爆炸超压

通过油气处理工艺模块的危险分析，确定用于结构抗爆性能评估的爆炸场景，设计爆炸超压载荷可通过历史统计数据分析、规范推荐值、爆炸载荷概率评估方法得到。参考文献[3]，对于FPSO生活楼结构的设计爆炸超压建议选取0.05 MPa，作用时间为0.344 s。FPSO生活楼位于船舶尾部，工艺模块油气泄漏引起的油气爆炸从船首方向传来，爆炸载荷直接作用于生活楼前端FR45围壁。

2.2 筛选分析

将0.05 MPa载荷视为静态压力，均匀分布施加在生活楼FR45围壁上，利用线弹性有限元分析计算得到结构的应力，通过许用应力衡准（应力小于材料屈服应力，船用低碳钢的屈服应力为235 MPa）评估结构安全性。

利用结构有限元软件Nastran计算得到结构的最大应力如图3所示，结构应力如下页表1所示。

表1 筛选分析、强度水平分析计算结果

图3 结构静态响应计算-筛选分析

从图3可以看出，高应力主要出现在迎爆面FR45围壁，尤其是2甲板与3甲板间的围壁结构的应力与变形较大（最大应力分别为343.9 MPa和351.4 MPa），大于船用低碳钢屈服应力（235 MPa），不满足筛选分析性能衡准。除此以外的结构应力均小于235 MPa，满足筛选分析衡准。因此需要对该生活楼结构进行强度水平分析，关注重点2甲板与3甲板间的FR45围壁结构。

2.3 强度水平分析

计算分析得到生活楼结构的一阶固有周期为0.22 s，根据结构冲击响应谱得到动态放大系数为1.3[4]。在强度分析中，将0.05 MPa乘以动态放大系数1.3后视为静态压力（0.065 MPa），均匀分布施加在生活楼FR45围壁上，利用线弹性有限元分析计算得到结构应力，以材料强度极限（船用低碳钢强度极限375 MPa）衡准进行强度校核。

表1和图4为强度水平分析结构的应力及变形。可以看出：2甲板与3甲板间的FR45围壁结构最大应力分别为426.2 MPa和417.4 MPa（均大于375 MPa），不满足强度水平分析衡准；同样最大变形、最大应力发生在2甲板与3甲板间的FR45围壁，其余结构满足强度水平衡准。因此，需要对该区域结构进一步开展塑性水平分析，以评估其是否满足抗爆性能要求。

图4 结构静态响应计算-强度水平分析

2.4 塑性水平设计

利用非线性有限元软件建立生活楼有限元模型，将爆炸载荷简化为三角形脉冲载荷时序曲线，峰值超压为0.05 MPa，作用时间为0.344 s，均匀分布施加在生活楼FR45围壁上。结构性能评估衡准为：应力小于强度极限、塑性变形小于临界值、不发生断裂失效（塑性应变小于断裂临界应变）。考虑网格与构件板厚之间的关系，由文献[11]失效准则分析确定本结构塑性失效应变为0.17。计算得到的最大应力、应变、位移云图如下页图5所示。

图5 生活楼结构动态响应云图

从图中可以看出：

（1）结构的最大应力为293.4 MPa，小于材料的强度极限（375 MPa）；最大应变为0.023，小于塑性失效应变（0.170）；No.01 ～ 19区域最大变形为36.1 mm，No.20 ～ 27区域最大变形为54.5 mm，分别小于变形临界值150 mm、600 mm，满足塑性设计结构性能评估衡准；

（2）分析发现结构应力和变形较大的区域主要集中在FR45围壁No.20 ～ 27区域和2甲板、3甲板间区域，该区域是提高结构抗爆性能的关键。

通过筛选分析可以确定2甲板与3甲板之间的FR45围壁结构不满足筛选分析性能衡准；然后对生活楼结构进行强度水平分析，发现该区域也不满足强度水平衡准；进而对生活楼进行了塑性水平分析，该区域满足塑性水平分析衡准，因此该结构满足0.05 MPa爆炸超压载荷下的抗爆性能衡准。

3 不同风险水平的抗爆结构设计

3.1 基于性能的爆炸风险水平

文献[13]针对海洋工程抗爆结构设计提出了基于性能的设计（performance based design，PBD），以及基于性能设计的多层次性能设计水平。基于性能的设计目标主要集中在生命和环境安全方面，但操作者或业主将平台在极端爆炸事故下应具备的性能作为目标，并且为了客观评估规范要求与满足业主需求、量化设计工作量，提出了多层次的性能水平，包括：功能性水平、作业水平、生命安全水平、平台失效水平。4种性能水平对应不同的发生概率、性能要求、评估衡准，具体如表2所示，根据多层次的性能水平评估结构系统的性能，再将分析结果转化成实现工程设计目标和业主需求的可行性结论。

表2 多层次的性能设计水平

根据表2评估衡准并结合本文研究对象，船用低碳钢的极限应力为375 ～ 500 MPa，其极限应力选取375 MPa；根据材料、有限元网格尺寸，按照文献[11]和[14]的失效准则分析方法确定失效应变为0.17；生活楼内布置中央控制室、监控室等关键舱室，结构不可发生塑性失效，结构塑性变形不能影响设备设施的正常使用，其塑性变形极限为船体板变形不超过加强筋腹板尺寸，即最大塑性变形量小于150 mm；对于舷侧No.20 ～ 29区域的围壁结构，塑性变形不影响救生艇的正常使用，即最大塑性变形量小于600 mm。

3.2 不同风险等级抗爆结构设计方案

平台失效水平主要指海洋平台整体完整性丧失、结构损伤严重，并可能导致人员伤亡。这种水平下开展结构抗爆设计可以提高结构极限承载能力，但对于生活楼结构来说，要求生活楼结构具备抵抗平台失效水平下的爆炸载荷既没有必要也没有意义。因此，针对生活楼结构主要开展功能性水平、作业水平、生命安全水平这3个风险等级的抗爆结构设计研究。

前期通过对目标生活楼抗爆性能分析[15-18]，发现生活楼FR45围壁No.20 ～ 29区域和2甲板、3甲板间区域比较薄弱，是抗爆结构设计的重点关注对象。本部分在不改变生活楼主要结构型式的基础上，对FR45围壁薄弱区域（No.20 ～ 29和2甲板、3甲板区域）进行设计，形成具体2种设计方案：

（1）方案1：生活楼结构原设计方案。

（2）方案2：在方案1的基础上，（a）在3甲板增设工字梁500 mm×12 mm/400 mm×16 mm；（b）FR45围壁No.27垂直加强筋由角钢调整成T形材600 mm×12 mm/200 mm×14 mm；（c）2甲板、3甲板圆弧至舷侧的T形构件面板由200 mm×12 mm改为300 mm×14 mm；其余结构不变，与方案1相比，结构质量增加了1.88 t。

（3）方案3：在方案2的基础上，（a）将FR45前端壁2甲板与3甲板间、No.0 ～ 27区域的板厚调整为12 mm，（b）1甲板至3甲板间的骨材由L200 mm×90 mm×9 mm×14 mm、L125 mm×75 mm×10 mm都调整成L140 mm×90 mm×10 mm；（c）3甲板至5甲板间前端壁板厚由8 mm增加到9 mm，比设计方案1的结构质量增加4.18 t。

3.3 结构抗爆性能评估

以非线性有限元软件建立3种结构方案的结构有限元模型，分别计算0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa爆炸载荷下的结构动态响应。下页图6为设计方案3的最大应力、应变、位移云图，各方案校核结果汇总于下页表3。

表3 生活楼结构计算校核结果

图6 生活楼结构动态响应-设计方案3

（1） 研究形成了满足3个风险等级的结构设计方案。方案1可以满足功能性水平（0.05 MPa）要求，在作业水平载荷工况下（0.10 MPa）结构塑性变形较大，不满足作业水平要求；方案2可以满足功能性水平（0.05 MPa）、作业水平（0.10 MPa）要求；方案3满足功能性水平（0.05 MPa）、作业水平（0.10 MPa）、生命安全水平（0.15 MPa）的要求。

（2）FPSO生活楼结构设计（尤其是靠近上部模块的端壁结构设计），除了参考规范常规设计载荷进行结构设计外，还需考虑油气爆炸载荷的影响。要注意上层甲板间壁板要适当增厚，避免影响到悬臂板架、垂直加强筋与板厚之间的刚度合理匹配等问题，以提高结构的抗爆能力。

（3）方案2比原结构的质量增加1.88 t，方案3比原结构质量增加4.18 t，相对于生活楼结构质量1 180 t，方案2、3的质量增加非常有限。可见，通过抗爆优化设计，可在结构质量增加较少的前提下，令结构的抗爆性能等级提高1个量级。因此，通过开展优化设计可充分发挥结构的性能，显著提高结构的利用率。

4 结 语

（1）本文梳理了海洋工程风险分析规范，重点介绍了美国石油协会规范中的爆炸风险评估流程，对其中的筛选分析、名义载荷分析、具体事件分析和结构抗爆性能评估流程进行了详细分析，形成基于爆炸风险的结构设计技术，并应用于FPSO生活楼结构抗爆设计。

（2）利用有限元软件对FPSO生活楼结构进行了筛选分析、强度水平分析、塑性水平分析，从筛选分析及强度水平分析结果中可以看出FR45围壁的结构应力和变形不满足相应的强度衡准。通过塑性水平分析发现生活楼结构满足塑性水平性能衡准，说明生活楼结构满足抗爆性能要求，完成了基于爆炸风险的生活楼结构设计全流程的评估。

（3）以功能性水平、作业水平、生命安全水平等作为生活楼结构抗爆设计的设计水平，在原设计方案基础上，参考塑性水平分析的计算结果进行结构优化设计，形成满足3个风险等级的抗爆结构设计方案。方案2与方案3仅比原结构的质量增加1.88 t和4.18 t，但结构的抗爆性能却均提高1个量级，由此证明抗爆结构优化设计可显著提升结构的利用效率和抗爆能力。